Simulering av Ugnshärdning

F. Edelvik, T. Johnson, A. Mark. Ytforum, 2:17-18, Mars 2021.

Ytbehandlingsprocessen är den mest energikrävande processen i en fordonsfabrik. Dessutom utgör den en flaskhals i produktionen där processerna idag finjusteras genom testning på ett stort antal prototyper. Fraunhofer-Chalmers Centre har i ett forskningsprojekt tillsammans med RISE och ett antal partnerföretag tagit fram en mjukvara för simulering av ugnshärdning som är redo att implementeras industriellt.

För att kunna möta framtidens behov av snabb omställning, allt kortare ledtider och nya materialkombinationer behöver produktionsberedningen kraftigt förbättras. I ett forskningsprojekt utvecklades validerade simuleringsmetoder och mjukvara för ugnshärdning. Det huvudsakliga målet med projektet var att utveckla metoder, tekniker, mätmetodologi och mjukvara, för simulering av ugnar i målerifabrik. Detta är mycket utmanande på grund av turbulenta luftflöden i ugnarna, tunna gränsskikt och stora temperaturgradienter, och dessutom stora skalvariationer från de tunna färgskikten till storleken på ugnarna.

Projektet baserades på tidigare arbete i Vinnovaprojekt som har resulterat i IPS Virtual Paint. Det är den enda mjukvaran på marknaden, som används i produktion av svensk och internationell fordonsindustri, för prediktering av färgtjocklek och applicering av tätningsmaterial. Samma plattform användes i detta projekt och ambitionen är att alla processerna i målerifabriken ska kunna simuleras i samma ramverk – “Den virtuella målerifabriken”.

Projektets syfte var att utveckla validerade simuleringsmetoder och mjukvara för ugnshärdning för att reducera behovet av tidiga prototyper vilket har stor påverkan på ledtider i produktutvecklingen genom att hela testserier kan plockas bort. Ett annat syfte var att öka flexibiliteten i måleriet samt att förbättra produktkvaliteten genom en mer uniform temperatur på objektet under ugnsprocessen, vilket ger bättre härdning och ytfinish av färgskikt, tätningsmassa och andra material. Dessutom var syftet att minska miljöpåverkan genom att signifikant mindre fysikalisk testning blir nödvändig.

I projektet byggdes en mjukvara för att simulera ugnshärdning i konvektionsugnar som ett tillägg till IPS Virtual Paint, där själva lackeringsprocessen simuleras. Mjukvaran validerades sedan genom ett antal olika fältförsök, dels på RISE i Mölndal men även ute på plats hos fordonstillverkare. Utfallet blev bra och mjukvaran kunde framgångsrikt verifieras i fyra industriella fallstudier. Slutsatsen från de industriella fallstudierna är att det är möjligt att använda mjukvaran för att prediktera processen, optimera processparametrar, och detektera problemområden.

Målet att även utveckla modeller för avdunstning av vatten och lösningsmaterial i färgskikten visade sig dock vara en större utmaning än förväntat. Här krävs mer arbete efter projektet. Dock ger temperaturerna på objektets yta, som är ett resultat av simuleringarna, tillräcklig information om härdningen av färgen.

Mjukvaran är redo för industriell implementering genom en ny modul i IPS Virtual Paint. Utöver att simulera konvektionsugnar kommer även IR-ugnar att inkluderas i en mindre utvidgning, som kommer att göras efter projektet.

 

Artikeln är ett utdrag ur rapporten ”Virtual PaintShop – Simulation of Oven Curing”, ett projekt inom programmet Fordons-strategisk forskning och innovation.

 




Photo credits: Nic McPhee